用于5G智能手机的紧凑型8 MIMO天线及其MIMO容量验证外文翻译资料

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用于5G智能手机的紧凑型8 MIMO天线及其MIMO容量验证

摘要-目前，手机智能手机天线已经从2000年以前的外部天线发展到了2G/3G/4G通信的内置天线和外壳集成天线。对于第五代(5G)通信，大规模MIMO系统的应用前景十分广阔，大量的MIMO天线将被部署在智能手机上，从而有效地提高信道容量。本文介绍了智能手机中结构紧凑的8个MIMO天线，MIMO天线工作在3.5-GHz频段(3400~3600 MHz)，最近在WRC-15中被确定应用为未来的全球移动宽带业务。通过在开放空间中的MIMO OTA(空中)测试，计算并验证所提出的紧凑型8MIMO天线信道容量，并对结果进行了讨论。

关键词-智能手机天线，MIMO天线，5G通信，MIMO容量

1 介绍

2times;2MIMO(多输入多输出)系统已成功应用于第四代(4G)移动通信。对于这样的应用，需要在智能手机中嵌入两个LTE MIMO天线，以便在LTE频段(如698~960和1710~2690 MHz)中进行2times;2MIMO工作[1]。经预测，对于LTE MIMO天线，可实现的信道容量随着智能手机和基站中MIMO天线的数目增加而增加。据报道，在8times;8 MIMO天线中，使用8个MIMO天线，在20 dB信噪比(SNR)[2]条件下，可实现的信道容量达37 bps/Hz，接近单输入单输出(SISO)操作天线的8倍。在这样的信道容量和宽频谱(例如，至少200 MHz)下，数据速率可以大于1Gbps。在这方面，智能手机中至少有8个天线的MIMO天线有望在第五代(5G)移动通信中应用。

然而，由于该手机的空间非常有限，因此要在其中嵌入大量具有低包络相关系数(ECC)的MIMO天线(例如至少8个天线)是很有挑战性的。此外，在智能手机中至少含有四个MIMO天线实现信道容量，以验证预测的信道容量方面几乎没有测量结果。

最近，2015年11月，WRC-15(世界无线电通信会议，2015)为全球移动宽带业务确定了3400~3600MHz的新频谱[3]。该频谱有望应用于5G移动通信中。本研究的目的是为5G智能手机的应用设计出前途广泛的小型8 MMO天线，此MIMO天线结构紧凑，仅为1mm，比文献[2][5]中所报道的要小。该MIMO天线体积紧凑，有望嵌入智能手机两侧机壳与显示屏之间的狭小区域。

在本研究中，在第一章节描述了典型的用于5G通信的大规模MIMO系统。文中在第三和第四章节给出了智能手机上的8个MIMO天线和开放空间的MIMO OTA测试结果，并给出了8times;4和4times;4 MIMO业务的实测信道容量，并对其进行了讨论。在第五章节总结结论。

2 用于5G通信的大规模MIMO系统

图1 用于5G通信的大规模MMO系统 （a）用于多用户的3D基站MIMO天线 （b）用于具有多个MIMO天线的智能手机的平面基站MIMO天线

图1显示了典型的用于5G通信的大规模MIMO系统。在图中l(a)中，基站天线为三维圆柱形阵列结构，移动单元可具有一个或多个天线。在图1(b)中，基站天线是平面阵列结构，这使得它适合安装在建筑物的平面表面上。图1(b)中的智能手机天线可以在智能手机中实现更高的信道容量。并且，智能手机的两个短边(上边和下边)被保留用于容纳2G/3G/4G天线。

3 用于智能手机中3.5GHz LTE MIMO紧凑型天线

图2(a)显示了在3.5GHz频段(3400~3600MHz)工作的紧凑的8个MIMO天线[3]。采用四天线线性(QAL)阵列[2]。QAL阵列是基于智能手机的开槽天线电路板[6]构成的，并且在智能手机的系统电路板的侧边缘上具有1mmtimes;60mm的尺寸。QAL阵列中的四根天线总长度为60 mm，宽度仅为1mm。QAL阵列中的每个天线的天线效率均大于45%，两天线间的ECC小于0.1。对于系统电路板，它的尺寸为75mmtimes;150mm，这对于现代智能手机来说是合理的。

作为基底天线的四个双极化贴片天线也如图2(b)所示。该四种双极化贴片天线的尺寸为14.5cmtimes;14.5cm，可为MIMO工作提供多达8个隔离端口，每个端口的天线效率大于90%，两天线间的ECC非常小(接近0)，对基站天线具有很好的隔离性能。

图2（a）智能手机紧凑型八个MIMO天线（b）用于3.5GHz LTE 8times;4和4times;4 MIMO的四个双极化贴片天线。

4 LTE MIMO天线信道容量测试

图3显示了4times;4 LTE MIMO测试安排，智能手机[图2(a)]中的4个端口被用作接收天线，基站天线使用4个端口[图2(b)]作为发射天线。另一方面，图4显示了8times;4 LTE MIMO测试安排。在这种情况下，智能手机中的8个端口被用作接收天线，基站天线中的4个端口用于发射天线。将Ramp;S矢量信号源[7]连接到基站天线以发送LTE信号。Ramp;S数字示波器和包括MIMO检测器的家庭软件接收机被用于MIMO测试的接收机。

图3 4times;4 LTE MIMO容量测试，接收器（4个智能手机天线）和发射器（4个基站天线）之间的距离为6米，非视距条件

图4 8times;4 MIMO容量测试，接收器（8个智能手机天线）和发射器（4个基站天线）之间的距离为6米，非视距条件。

表一和表二列出了4times;4和8times;4 MIMO工作的典型测试结果(每个接收天线的信噪比和信道容量)。并给出了在瑞利衰落环境下独立地和同向分布的(i.i.d)波传播信道的计算能力，以供比较。此外，用户手握智能手机的结果也会显示出来以供讨论。

结果表明，在有和没有用户手的情况下，测得的承载力与计算结果基本一致。结果表明，虽然8个MIMO天线体积紧凑，总长度仅为60 mm(在3.5GHz波长约为0.7波长)，但所获得的MIMO性能与理论预测基本一致，表明如果两天线之间的ECC尽可能低(例如小于0.1)，小型MIMO天线对MIMO性能的影响很小。

表1 4times;4 MIMO容量测试结果

表2 8times;4 MIMO容量测试结果

对于8times;4 MIMO和用户手存在的情况，可用容量为22.4bps/Hz。在这种情况下，200 MHz带宽的数据传输上限可以达到4.4Gbps.结果表明，8times;8MIMO的容量可达30bps/Hz以上。在这种情况下，在200MHz带宽下，数据传输的上限可以增加到大于6Gbps。

5 结论

本文提出了一种小型智能手机中8MIMO天线的设计方案。获得了4times;4和8times;4 MIMO工作在有和没有用户手的情况下测量的信道容量，计算结果与计算结果基本一致。研究结果表明，在5G移动通信中，至少有8个天线的多输入多输出(Massive MIMO)工作有望实现远高于1Gbps的数据传输。

致谢

非常感谢由温朝凯教授领导的，开发接收天线端的软件接收机，用于MIMO OTA测试的通信技术实验室。我们也非常感谢Rohde amp; Schwarz(Ramp;S)的测试设备支持。

参考文献

[1] LTE frequency bands and spectrum allocations, [Online] available:

http://www.radio-electronics.com/

[2] K.L.Wong, J.Y.Lu,L.Y.Chen, W.Y.Li, and Y.L.Ban,“8-antenna and l6-antenna arrays using the quad-antenna linear array as a building block for the 3.5-GHz LTE MIMO operation in the smartphone,”

Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 58, pp.174-181, 2016.

[3] WRC-15 Press Release,“World Radiocommunication Conference allocates spectrum for future innovation,”[Online].Available:

http://www.itu.int/net/pressoffice/press releases/2015/56.aspx

[4] A.A. Al-Hadi, J. Ilvonen, R.Valkonen, and V. Viikari, “Eight-element antenna array for diversity and MIMO mobile terminal in LTE 3500 MHz band,”Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 56, pp. 1323-1327,2014.

[5] K. L. Wong and J. Y. Lu, “3.6-GHz 10-antenna array for MIMO operation in the smartphone,” Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 57,pp.1699-1704, 2015.

[6] K. L. Wong and c. Y. Tsai, Low-profile dual-wideband inverted-T open slot antenna for the LTE/WWAN tablet computer with a metallicframe,' IEEE Trans. Antennas Propag.. vol. 63, pp. 2879-2886, 2015.

[7] Rohde amp; Schwarz (Ramp;S), [Online]. Available: http://www.rohde-schwarz. com.tw/ PrecompiledWeb/Index. aspx

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